从小到大，我们看到的彩虹似乎永远都是半圆形的优雅弧线。它横跨天际，两端似乎落在遥远的地平线上。彩虹形成的原理想必大家已经很熟悉：阳光照射到空气中的小水滴，光线进入水滴时发生折射，在水滴内壁反射一次后再次折射而出，白光就这样被分解成赤橙黄绿青蓝紫七色光谱。但彩虹到底是什么形状的，或许会让大家耳目一新。

我们直接来看这张实拍照片，这是2022年瑞士摄影师在挪威罗弗敦群岛用无人机穿过阵雨时拍摄的。画面中，一道完整的圆形彩虹悬浮在山峦与云层之间，像一个巨大的光环，外围甚至还有较淡的副虹形成双重圆环。很明显，彩虹实际是一个圆形的！那平日我们看不到的另一半，藏在了何处呢？这就又要从彩虹形成的几何原理说起了。

我们先来认识一下反日点，这指的是天空中与太阳位置正好相对的那个点。如果用观测彩虹的经验就会知道，看彩虹时太阳一定在我们身后。那么从太阳出发，画一条线穿过脑袋，一直延伸到前方，这条线指向的方向，就是反日点的方向。通俗地说，就是你头部阴影的延长线指向的地方。如果你此时我们站在地面上，这个反日点就会在地平线以下。

图源：Rainbow Spec Observer (rainbowspec.observer/rainbows/)

当被分解成彩色的光线从水滴射出的时候，并不是朝所有方向乱飞，而是在42度的位置最为集中，注意，这里的42度不是相对于地面或天空测量的，而是相对于反日点方向。所有与这个方向偏离42度的方向上，都有彩色光线进入你的眼睛。

因此，所有能将最强烈的彩虹光线反射到观测者眼中的雨滴，共同构成了一个以观测者眼睛为顶点、张角为42度的圆锥体。我们所看到的彩虹，正是这个光锥的圆形底边。这个光锥的中轴线，是一条从太阳出发，穿过观测者头部，并无限延伸的直线。在这条直线上，正对着太阳的那个点，就是刚才提到的反日点。

结合反日点和42度光锥的概念，我们便能得出结论：彩虹并非一个悬挂在天空中特定位置的实体物件。它是一种完全依赖于观测者位置的光学现象。

这意味着世界上没有两个人能看到完全一样的彩虹。因为构成你所见彩虹的那组雨滴，与构成你身旁朋友所见彩虹的雨滴，是完全不同的两组。每个人看到的，都是以自己头部的影子为中心、由特定雨滴群为他量身定做的专属彩虹。

现在知道了上述内容，我们终于可以正面回答最初的问题：既然彩虹的本质是一个以反日点为中心的圆，为何我们通常只能看到一个半圆形的弧？原因很简单：地面挡住了下半部分。

站在地面上时，反日点通常位于地平线以下。彩虹的圆心就在那里，而下半圆本该出现在你脚下的空间。但那里要么是坚实的大地，要么就是没有雨滴的干燥空气。没有水滴，自然就没有彩虹。

太阳的高度直接影响我们能看到多大的彩虹弧。清晨或傍晚，太阳贴近地平线，反日点位置较高，彩虹的顶端可以达到42度仰角，所以能看到接近完整的半圆。但随着太阳升高，反日点下沉，彩虹也随之沉入地平线。到了正午，当太阳高度超过42度，整个彩虹圆都会被压到地平线以下，这时候即使下雨，我们也看不到彩虹。

这就解释了为什么夏季中午很少看到彩虹，而清晨和傍晚的彩虹最为壮观。这也是为什么彩虹永远出现在太阳的对面方向，我们为什么必须背对太阳才能看到它。

所以现在我们也明白了，为什么飞到水滴的上方后就可以看到完整的圆形彩虹，没有了地面的遮挡，也不缺水滴。另外，或许你注意到了最开始那张照片中的圆形彩虹不止一道，在外面还有一圈朦胧的同心彩虹。这道外围较淡的彩虹叫副虹，它的形成过程稍有不同，光线在水滴内部反射了两次而不是一次。

第一次反射后，部分光线没有立即射出水滴，而是继续在水滴内部传播，在前壁又反射了一次，才最终离开水滴进入我们的眼睛。多反射一次，光线损失更多能量，所以副虹的亮度只有主虹的一半左右。

更特别的是，两次反射让颜色顺序完全颠倒了：主虹是外红内紫，副虹则是外紫内红。副虹形成的光锥角度约为51度（相对反日点），比主虹的42度大，所以副虹出现在主虹外围约9度的位置。

仔细观察，你会注意到两道彩虹之间的天空明显更暗，这个区域叫亚历山大暗带。单次反射的光照亮了主虹内侧的天空，两次反射的光照亮了副虹外侧的天空，而两者之间这片区域是光学盲区，几乎没有光线到达，所以显得格外幽暗。

或许某天我们坐上飞机，在万米高空看到那个完整的圆环。

参考资料：

NASA. A Full Circle Rainbow over Norway - Astronomy Picture of the Day [EB/OL]. https://apod.nasa.gov/apod/ap221227.html, 2022-12-27.

Rainbow Spec Observer. Rainbows - The Rainbow [EB/OL]. https://rainbowspec.observer/rainbows/, 2025-10-23.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学博士研究生 中国光学学会会员

审核丨孙明轩 上海工程技术大学教授、中国科普作家协会会员

来源: 科普中国创作培育计划

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